KR950012629B1 - 강의 연속주조용 주형에서 발생하는 브레이크 아웃(Break-out)예지방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

강의 연속주조용 주형에서 발생하는 브레이크 아웃(Break-out) 예지방법

제 1 도는 강의 연속주조주형에서 응고층이 파단하는 과정을 도시한 개념도.

제 2 도는 강의 연속주조주형에서 응고층이 파단하는 과정을 예지할 수 있는 원리를 도시한 개념도.

제 3 도는 브레이크 아웃 발생시 주형동판에 삽입한 열전대에서 나오는 전형적인 온도측정결과를 도시한 그래프.

제 4 도는 주형내 용강높이가 변화할 때 주형동판에 삽입한 열전대에서 나오는 온도측정결과를 도시한 그래프.

제 5 도는 주형내 용강에 와류발생시 주형동판에 삽입한 열전대에서 나오는 온도측정결과를 도시한 그래프.

제 6 도는 본 발명에 의한 브레이크아웃 예지방법에 의한 열전대 삽입을 도시한 배치도이며, a)는 사시도, b)는 장변면 투시도.

제 7 도는 브레이크 아웃 발생시 주형내 응고층 전파과정 및 온도변화를 도시한 모식도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 장변동잔 2 : 수직열전대,

3 : 수냉쟈켓 4 : 수평열전대.

본 발명은 열전대 삽입에 의한 동판온도를 측정하여 브레이크 아웃을 예지하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세히는 브레이크 아웃이 발생하기 전주형내에서 응고층의 파단을 정확하게 감지하여 그에 상응한 조치를 취함으로서 브레이크 아웃 발생을 방지할 수 있도록 한 브레이크 아웃 예지방법에 관한 것이다.

브레이크 아웃(Break-out)이란, 강의 연속주조시 발생하는 조업사고중의 하나로 주조중 주형 직하에서 응고층이 파단되면서 용강이 유출되는 것을 말한다.

상기 브레이크 아웃은 주조중 주형주위의 운전자가 아무리 주의를 하여 관찰하여도 용강을 도포하고 있는 주형 용제로 인해 주형내 상황을 알 수 없기 때문에 사전에 조치를 취할 수 없다. 또한, 사고가 발생하면 작업의 중단으로 인한 생산성 저하 및 주편량의 손실 뿐만 아니라, 주형직하의 연주설비내에 주편이 정체되고 주편 지지물 및 설비에 지금이 부착하기 때문에 이를 제거하기 위하여 많은 인원과 시간이 소요되므로, 연주사고중 가장 피해가 크며, 가장 시급하게 사고를 방지할 수 있는 방법의 개발이 필요한 것이다.

상기한 브레이크 아웃에 의해 사고가 발생하는 주원인은 주형내의 응고층이 주형내에서 파단하기 때문이다. 연속주조에서는 주형으로 용강이 일정한 양으로 계속 공급하고, 그 공급된 양만큼 연주설비 하단부에 있는 인발롤에 의해 주형에서 응고된 주편을 일정속도로 빠져 나오게 한다. 주형내의 응고층 두께는 주조속도와 용강의 화학성분 및 주편 크기에 따라 다르지만, 일반적으로 주형 하단부에서 20mm 정도이며, 주형 내부 응고층 두께는 거리에 따라 거의 직선적으로 변화한다. 따라서, 응고층이 파단한다는 것은 주형과 주편사이의 마찰력이 증가하여 주형에서 형성된 20mm 이하의 얇은 응고층이 하부에서 인발하는 힘을 견디지 못하기 때문에 발생하는 것이다.

이와같이 주형과 주편사이에서 마찰력이 증가할 수 있는 요인들로는, 주형과 주편사이로 흘러들어가는 주형용제(mold flux)의 점도가 높거나, 일시적으로 주형용제가 공급되지 못할 경우이다. 이러한 현상은 본래 사용되는 주형용제의 물성치로 인한 것도 있지만, 주조 조건면에서 주형내의 용강 높이가 주조중 노즐(Nozzle)의 막힘 또는 개재물의 유입으로 갑자기 변화할 때 빈번하게 발생할 수 있다. 또한, 용강중의 가스성분이 포화 용해량 이상 존재할 때 주편의 응고중 과잉의 기포가 응고층 사이로 스며나오면서 주형 용제가 들어가 용제의 결정화를 촉진하여 마찰력을 증가시켜 응고층이 파단되기도 한다. 강종에 따라서는 특정 성분의 합금이 첨가되면 고온에서의 강의 강도를 저하시키기도 하는데, 이러한 강종은 주조중 응고층이 쉽게 파단되는 특성이 있다.

본 발명에 관한 것을 서술하기 전에 이해를 돕기 위하여, 연속 주조 주형에서 응고층이 파단하는 과정을 제 1 도를 참고하여 설명한다.

응고층(51)이 주형(52)에 부착되면, 상기 주형(52)과 주편(53)과의 마찰력이 증가하며, 응고된 주편(53)을 하부로 인발하는 힘이 응고층(51)의 임계전단응력보다 초과하면, 가장 강도가 약하고 얇은 초기 응고층(51)부터 파단되기 시작한다. 파단부위(56)는 주형(52)의 인발과 함께 하단부로 이동하게 된다. 이때, 파단은 일반적으로 주조방향과 약 45도인 최대전단응력의 방향으로 전파되며, 그 전파속도는 문헌과 실제 경험에 따르면, 주조속도의 절반정도이다. 한편, 주형(52)에 부착된 응고층(51)은 상부가 두껍고 하부가 얇은 특징으로 나타내는데, 이는 주형(52)에 고착된 응고층(51)이 주형(52)을 통과하는 냉각수에 의해 계속 냉각되는 반면, 하부는 파단이 전파되면서 용강이 상기 응고층(51)밖으로 유출되었다가 다시 응고가 되는 과정이 반복되면서 욘도가 높은 새로운 용강이 계속 공급되기 때문에 발생하는 현상이다. 또한, 제 1 도의 (b)에서 알 수 있듯이 정상적인 주편이 표면(54)에는 주형(52)의 진동으로 인한 진동자국(Oscillation Mark)이 안쪽으로 오목한 형상으로 규칙적으로 나타나는데 반해, 파단이 전파되는 주편의 표면(55)은 바깥쪽으로 볼록하고 불규칙적인 특징으로 나타낸다. 이는 주형(52)내 응고층(51)내부의 용강이 상기 응고층(51)의 파단과 함께 응고층(51)외부로 유출되고, 다시 응고가 되풀이 되는 현상을 보여주는 직접적인 증거이다. 상기 주편(53)이 주형(52)을 빠져나가면 결정압에 의해 주형(52)내의 용강이 응고층 파단부위(56)로 유출되며,이것이 브레이크 아웃이다.

상기 브레이크 아웃에 대한 종래의 대책은 주편의 응고파단부위(56)가 주형을 빠져나가기 전에 그 파단을 센서(sensor) 등으로 검지하여 경보를 울려 조업자에게 알려주면, 상기 조업자는 주조속도 감소등으로 상기 파단부위(56)을 회복시켜 정상적인 응고층이 형성될 수 있도록 하므로서, 용강 유출 현상을 방지할 수 있다. 이에 대한 기 공지기술로는, 주형과 주편사이에 마찰력을 측정하는 방법과 주형 동판에 열전대에 삽입하여 응고층 온도를 간접적으로 측정하는 방법이 있다.

상기 마찰력을 측정하는 종래의 방법은, 주형 진동축에 변형센서 혹은 주형하단에 하중센서를 부착하여 변형, 하중의 변화 및 주형 진동모터 혹은 연주기 하부인발롤 모터의 전류를 비주조시에 측정하고, 주조시 전체 마찰력을 측정하여 주형진동계에서 주형과 주편사이의 마찰력을 분리함으로서, 주조시 연속적으로 마찰력을 측정하는 방법이다. 이는 브레이크 아웃이 발생하면 응고층이 주형에 고착되어 주형과 주편사이의 마찰력이 증가하기 때문에 이론상 상기 주형과 주편사이의 마찰력이 정확하게 측정되어진다면, 매우 타당한 방법으로 보여진다. 그러나, 실제 연주작업에 있어서는 주조폭, 주조속도, 주형 용제의 종류가 매우 다양하게 변화하며, 마찰력이 매 주조조건마다 다르기 때문에 경보를 울려주기 위한 설정치의 결정이 매우 어렵다. 또한, 각종 센서에서 나오는 신호의 해석에 있어서도 매우 복잡하고 어려운 수학적인 기법을 요구하며 상기 센서의 수명이 짧고, 가혹한 조건에서의 정확도가 저하하기 때문에 현재는 거의 사용하고 있지 않다.

상기 열전대 삽입에 의한 동판 온도를 측정하는 또 다른 종래의 방법은, 원래 주형의 열전달을 측정하기 위하여 연속주조 초기부터 사용된 방법으로, 응고층이 파단되면 동판으로 용강이 유출되며 이에 의하여 동판의 온도가 증가하게 된다. 따라서, 상기 용강 유출부 주위에 열전대를 삽입하면 유출을 감지할 수 있고, 이는 현재 설치된 브레이크 아웃 예지장치중 가장 범용적으로 사용되는 방법이다.

상기 열전대 삽입에 의한 동판 온도측정방법은 제 2 도에 도시한 바와같이, 일반적으로 동판길이방향으로 두열의 열전대(57)(58)를 삽입하며, 상부 열전대(57)에 파단층(56)이 통과하면 온도가 순간적으로 상승한 후 응고층(51)의 두께가 증가하면서 온도가 급격하게 감소하는 현상을 나타낸다. 한편, 상기 파단층(56)이 하부열전대(58)를 통과하게 되면, 상기 상부 열전대(57)와 마찬가지로 온도가 상승후 감소하게 된다. 따라서, 브레이크 아웃발생시의 열전대 온도변화경향, 예를들면 시간에 따른 온도의 변화량, 상하부 열전대의 온도차이 혹은 온도변화면적 등을 해석하여 그 한계치를 컴퓨터에 입력시키고 열전대의 온도가 설정된 한계치를 초과하면 경보를 울려 주조속도를 감소시킴으로써 브레이크 아웃을 방지하는 것이다.

상기 종래의 방법에 의한 열전대의 온도변화를 제 3 도에 도시하였다. 즉, 브레이크 아웃 발생시 상,하부 열전대의 온도변화에 대한 전형적인 결과로서, 상부 열전대 온도(57')가 상승 후 갑자기 하강하고, 하부 열전대 온도(58')도 일정시간이 경과한 후에 상승, 하강한다.

그러나, 실제 조업시 제 3 도에서 보여지는 경향과 유사한 온도변화가 자주 발생하게 되어 브레이크 아웃의 예지에 대한 정확도가 감소하며, 그 대표적인 예를 제 4 도에 도시하였다.

제 4 도는 주형내 용강의 높이가 상부 열전대 근방까지 내려간 후 다시 상승하는 경우이다. 열전대 온도는 주형상부가 높고, 하부가 낮은 것이 일반적이며, 이는 응고층의 두께 때문이다. 용강의 높이가 상부 열전대 근처에 오게되면 상,하부 열전대온도(57')(58')는 전부 상승하게 된다. 용강면이 다시 올라가면 열전대 근처의 응고층이 두꺼워지므로 온도는 감소하게 된다. 즉, 전술한 제 3 도와 비슷한 경향을 나타내는 것이다. 이러한 경우, 브레이크 아웃으로 감지되이 경보가 울리며, 작업자는 주조속도를 낮추게 되어 주편에는 결함 발생이 쉬운 조건으로 되고, 정상적인 제품보다 품질이 저하하는 결과로 나타난다. 상기와 같은 주형내 영강높이의 변화는 주조속도의 변화, 노즐로부터의 개재물 탈락 및 막힘등으로 인해 주조중 빈번하게 나올 수 있는 현상이며, 이를 브레이크 아웃 발생의 경우와 구별하지 못하면 오경보로 인한 혼란이 자주 생기고, 결국은 브레이크 아웃 예지장치 자체에 대한 신뢰도를 상실하게 되는 문제점이 있는 것이다.

또한, 제 5 도는 브레이크 아웃발생과 유사한 온도변화를 나타내는 경우의 한가지로서, 주형내의 한쪽면으로 와류가 발생하여 용강이 치우치는 경우이다. 연속 주조조업에서는 내화물 재질의 노즐이 막히는 경우가 자주 발생하며, 그 막히는 위치도 일정하지 않고 노즐 벽면의 한쪽면으로 막히기 때문에 주형내의 용강 흐름이 편향되는 것이고, 이에 따라 응고층의 형성거동이 변화하므로 열전대온도(57')(58')가 불규칙적으로 변화하여 브레이크 아웃으로 오인될 수 있고, 이 역시 브레이크 아웃발생과 확실하게 구별되어야 하는 온도 변화경향 중의 하나이다.

그리고, 상기 제 4 도 및 제 5 도에서 나타난 현상이외에도, 열전대의 연결불량 및 이물질이 열전대 선단에 부착되는 경우 등 많은 오경보가 발생하는 문제점이 있는 것이다.

한편, 본 발명자는 열전대가 삽입된 주형으로 수많은 온도 출력을 조사하여 분석한 결과, 종래의 방법이 가지는 문제점은 상부와 하부 한쌍의 온도변화만을 가지고 브레이크 아웃의 발생여부를 가리기 때문에 나타나는 현상임을 알 수 있었다. 즉, 종래의 브레이크 아웃 예지방법은 동판에 삽입된 열전대를 위치별로 쌍으로 구분하여 독립적인 신호를 발생할 수 있도록 구성되어 있으므로, 상기 열전대중의 한쌍에 제 3 도의 현상이 나타나면 다른 열전대의 온도추이와는 관계없이 경보를 발생하며, 제 4 도의 경우처럼 주형내의 용강높이가 갑자기 변화하는 경우에는 주형내에 삽입된 모든 열전대가 거의 동시에 변화하고 그중 가장 빠르게 감지된 열전대에 의하여 경보를 울리는 것이었다.

또한, 주형내 용강의 와류는 순간적으로 발생할 수도 있고 연속적으로 발생할 수 있는데, 순간적인 발생의 경우에는, 그에 해당하는 열전대의 온도만 변화하고, 인접한 열전대의 온도는 와류의 영향이 다소 약하여 브레이크 아웃 발생시의 온도변화와는 상이한 특징으로 나타내었으며, 연속적인 발생의 경우에는, 특정 위치의 열전대 온도만이 브레이크 아웃 발생온도의 경향과 유사하지만, 그 경향에서는 파단부가 지나간 후에 갑작스럽게 온도가 감소하는 특징은 두드러지지 않음, 인접하는 열전대의 온도변화는 브레이크 아웃 발생시의 온도변화와는 완전히 다르다는 것을 알 수 있다.

또한, 열전대의 연결불량 등으로 브레이크 아웃 발생과 유사한 온도변화가 나타나는 경우는 그에 해당되는 부위의 열전대 출력만이 불안하고, 인접한 열전대에는 브레이크 아웃에서 나타나는 전형적인 특성을 찾아볼 수 없었다.

또한, 번 발명자는 브레이크 아웃 발생시 주편의 파단이 주조방향과 45도 방향으로 전파되는 점에 예의 주시하였으며, 처음 응고층의 파단현상을 감지한 열전대 이외에 그 열전대와 가장 인접한 열전대에도 일정한 시간간격을 두고 유사한 온도경향을 나타냄을 알 수 있었다. 이는, 주형내 용강의 갑작스런 높이변화와 브레이크 아웃 발생시의 온도변화 차이는 열전대 온도변화가 거의 동시에 나타나느냐, 아니면 일정한 시간간격을 두고 있느냐의 차이였으며, 응고층 파단부위의 상하부 열전대 온도변화가 브레이크 아웃 발생과 유사하게 나타났을 때 인접한 열전대의 신호에 대하여 시간에 따른 온도변화 정도를 조사하면 브레이크 아웃 발생여부를 알 수 있는 것이다.

본 발명은 상술한 바와같은 종래의 문제점들을 개선하기 위하여 안출한 것으로 그 목적은, 강의 연속 주조시 발생하는 브레이크 아웃을 정확하게 감지할 수 있는 브레이크 아웃 예지방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 기술적인 구성으로서 본 발명은, 주형 동판에 삽입된 열전대에서 발생하는 기전력을 증폭기로 전달되며, 상기 증폭기에서의 신호가 컴퓨터에 전달되고, 상기 컴퓨터는 경보장치와 연결되어 브레이크 아웃을 예지하는 방법에 있어서, 상기 열전대는 수직열전대와 수평열전대로 구성되며, 수직으로 삽입한 한쌍의 열전대에서 감지된 온도변화가 주형내의 응고층 파만시의 온도변화와 동일한 경향이 나오면 1차경보를 울리고, 상기 수직열전대에 인접하여 수평으로 삽입한 두쌍의 열전대에서 감지된 시간별 온도의 변화가 상기 1차경보발생시의 온도변화와 동일한 경향이 나오면 2차경보를 울림으로써 주조속도를 감소하거나 중단하여 브레이크 아웃의 발생을 방지할 수 있음을 특징으로 하는 강의 연속주조용 주형에서 발생하는 브레이크 아웃 예지방법을 마련함에 의한다.

이하, 첨부된 도면을 기초로 하여 본 발명의 실시예를 설명하면 다음과 같다.

제 6 도는 본 발명에 의한 브레이크 아웃 예지방법에 의한 열전대 삽입을 도시한 배치도로서, 주형의 장변동판(1)의 상부에서 하부로 뚫린 구멍을 통하여 수직열전대(2)를 삽입하며, 상기 장변동판(1)의 외측으로 형성된 수냉자켓(3) 및 장변동판(1)을 연결하는 볼트인 텐션볼트(tension bolt)(미도시)에 구멍을 뚫어 상기 장변동판(l)에 접촉하도록 수평열전대(4)를 삽입하고, 상기 수직열전대(2) 중의 상부열전대(2a)(2a')와 수평열전대(4) 중의 상부 열전대(4a)(4a')(4a")는 정상 용탕탕면과 그 측정부가 평행하게 형성되며, 상기 수직열전대(2) 중의 하부 열전대(2b)(2b')와 수평열전대(4) 중 하부열전대(4b)(4b')(4b'')는 상기 상부열전대(2a)(4a)의 하부로 그 측정부가 정상 용탕탕면과 평행하게 형성된다.

상기 열전대(2)(4)는 증폭기(5)에 연결되며, 상기 증폭기(5)는 컴퓨터(6)에 연결되고 상기 컴퓨터(6)는 경보장치(7)에 연결되고, 상기 열전대(2a),(2a'),(2b),(2b'),(4a),(4a'),(4a"),(4b),(4b'),(4b")는 각각 증폭기(5a),(5b),(5c),(5d),(5e),(5f),(5g),(5h),(5i),(5j)에 연결되어 구성되는 것이다.

이와같이 구성된 본 발명의 작용 및 효과를 설명하면 다음과 같다.

제 6 도에 도시한 바와같이, 수평열전대(4) 및 수직열전대(2)에서 감지된 온도는 컴퓨터(6)에 의해 비교되고 경보여부를 판단하여 경보장치(7)를 작동시킨다. 한편, 제 7 도는 브레이크 아웃발생시 응고층이 파단하는 과정을 모식적으로 나타내었다. 제 7 도의 a)는 브레이크 아웃 발생시의 주형장변에서 바라본 상태를 도시한 것으로서, A점에서 응고층이 파단하면 응고층은 주조방향과 45도 즉, V자형으로 파단이 전파하는 것을 보여준다. 파단이 B점을 통과하면 그 위치에 삽입된 열전대(2a)의 온도는 상승 후 감소한다. 파단이 C에 도달하면 열전대(2b)의 온도가 상승후 감소한다. 한편 인접한 열전대(4a')에도 온도가 상승후 감소하는 현상이 발생하게 된다. 조금 더 시간이 경과하여 파단부위가 D를 통과하면 열전대(4b')도 동일한 경향을 나타낸다. 따라서 열전대(2a)와 (2b)가 브레이크 아웃이라는 신호를 나타내는 X에서 1차 경보를 발생시킨후 인접한 (4a')와 (4b') 열전대가 유사한 경향을 나타내는 Y에서 2차경보를 발생시켜 주조를 잠시 중단하거나 속도를 감소시키면 정확하게 브레이크 아웃을 감지할 수 있게 한다.

상기, X, Y의 간격은 수초이내로 짧으므로 수평삽입 열전대(4)에서 먼저 감지하여도 우선 그 결과가 컴퓨터(6)에 저장된 후, 수직삽입열전대(2)에 감지되면 브레이크 아웃을 통보하며, 이는 논리설정을 수직삽입열전대(2)에서 1차경보하고, 수평삽입열전대(4)에서 2차경보의 브레이크 아웃임을 인지한다는 의미이다.

또한, 종래방법의 문제점인 주형내 용강 높이변화에 의한 오경보는, 본 발명에서는 Y와 X사이의 간격이 매우 짧기 때문에 브레이크 아웃과는 명확하게 구별할 수 있었고, 와류가 발생한 경우는 국부적으로 (2a)와 (2b)만 전형적인 경향을 나타내고 인접한(4a')(4b')에는 미소한 변화만 나오기 때문에 브레이크 아웃과는 역시 명확하게 구별할 수 있다.

종래의 기타 다른 경우에도 유사한 방법으로 구별할 수 있다.

그리고, 연속주조 주형에 열전대를 표 1과 같이 종래의 방법과 본 발명에 의한 방법으로 삽입하고 본 발명에 의한 인접 열전대 온도까지 추이를 조사하여 경보를 발생하는 방식으로 시험을 행하였다. 시험결과, 종래의 방법은 열전대 삽입방법과 관계없이 한쌍만의 열전대 온도로 파단층을 검지하는 방법에 의해, 경보가 발생하더라도 브레이크 아웃과 관계없는 경우가 40-55%에 달하고 있지만, 본 발명에 었어서는 5% 미만으로 정확도면에서 매우 우수함을 알 수 있다. 또한 종래의 방법에 있어서는 열전대에 의한 수직형과 수평형 삽입 모두 브레이크 아웃을 검지하지 못하는 경우가 있었지만, 본 발명에 의한 방법은 브레이크 아웃 발생을 전부 검지하여 연속주조 무사고주조를 할 수 있게 하고 있다.

종래의 기타 다른 경우에도 유사한 방법으로 구별할 수 있다.

[표 1]

상술한 바와같이 본 발명의 브레이크 아웃 예지방법에 의하면, 강의 연속주조시 수직 열전대(2)와 수평열전대(4) 감지된 온도변화를 서로 비교하여 경보를 발생함으로써, 정확한 브레이크 아웃의 예지를 할 수 있는 우수한 효과가 있는 것이다.

Claims (1)

1. 주형동판에 삽입된 열전대에서 발생하는 기전력은 증폭기(5)로 전달되며, 상기 증폭기(5)에서의 신호가 컴퓨터(6)에 전달되고, 상기 컴퓨터(6)는 경보장치(7)와 연결되어 브레이크 아웃을 예지하는 방법에 있어서, 상기 열전대는 수직열전대(2)와 수평열전대(4)로 구성되며, 수직으로 삽입된 한쌍의 열전대(2a)(2b),(2a')(2b')에서 감지된 온도변화가 주형내의 응고층 파단시의 온도변화와 동일한 경향이 나오면 1차경보를 울리고, 상기 수직열전대(2)에 인접하여 수평으로 삽입한 두쌍의 열전대(4a)(4b),(4a')(4b'),(4a")(4b")에서 감지된 시간별 온도의 변화가 상기 1차경보발생시의 온도변화와 동일한 경향이 나오면 2차 경보를 울림으로서 주조속도를 감소하거나 중단하여 브레이크 아웃의 발생을 방지할 수 있음을 특징으로 하는 강의 연속주조용 주형에서 발생하는 브레이크 아웃 예지방법.